软弱围岩隧道预防坍塌安全施工技术（共79附有丰富现场照片）

软弱围岩岩隧道预预防坍方方

安全全施工技技术铁道部工工程管理理中心二二○一○年八月0前言言目前在建建隧道6600公里，已已规划建建设隧道道7600公里，隧隧道呈现现“三多多”特点点（隧道数数量多、、长大隧隧道多、、风险隧隧道多））。其中软软弱围岩岩隧道占占有相当当大的比比例。软弱围岩岩隧道施施工，除除地质条条件差，，还会遇遇到断面面大、埋埋深浅、、下穿公公路或建建筑物等等情况，，从而使使施工更更加复杂杂，难度度更大。。目前，，由于技技术措施施不合理理、施工工方法不不当、施施工工艺艺不到位位、现场场管理薄薄弱等环环节的诸诸多问题题，造成成了大量量的隧道道变形和和坍方事事故，损损失巨大大，教训训深刻。。1如何提高高软弱围围岩隧道道施工水水平，预预防变形形和坍方方，确保保施工安安全，其其核心是是抓住软软弱围岩岩隧道工工程特点点，落实实好“三超前前、四到到位、一一强化””施工技术术关键环环节。●三超前：：超前预报报、超前加加固、超前支护●四到位：：工法选择择到位、支支护措施到到位、快速封闭到到位、衬砌砌跟进到位位●一强化：：强化量测测2目录1软弱围岩隧隧道变形、、坍方事故故案例2软弱围岩隧隧道地质特特征和工程程特点3软弱围岩隧隧道施工技技术31软弱围岩隧隧道变形、、坍方事故故案例41.1事故案例郑西客专南南山口隧道道大坍方（（2007年7月15日发生）。。坍方段埋深深86米，地质为为强风化粉粉砂岩及卵卵石土，采采取台阶法法施工。掌掌子面初期期支护首先先出现掉块块、开裂，，3天后发生大大坍方，坍坍方长度146米，洞内初初期支护全全部破坏，，造成地表表房屋开裂裂，经济损损失较大。。坍方原因：：快速封闭闭不到位、、衬砌跟进进不到位、、量测未到到位。（上台阶开开挖83米，仰拱距距掌子面126米，二衬距距掌子面146米）。5南山口隧道道大坍方照照片67贵广铁路东东科岭隧道道涌砂坍方方（2010年1月19日发生）。。坍方段埋深深21m（属浅埋）），地质为为向斜构造造全风化花花岗岩，呈呈砂状，开开挖扰动后后呈流塑状状，地表为为水田和常常年流水水水沟。进口口开挖到398米处，掌子子面施作超超前小导管管时，突然然发生涌砂砂坍方，涌涌砂量约800立方，随后后地面出现现坍陷，坍坍坑直径约约35米。涌砂坍方原原因：未进进行超前预预报、未进进行超前加加固、未进进行超前支支护8东科岭隧道道涌砂坍方方照片9东科岭隧道道地面坍坑坑照片10张集铁路旧旧堡隧道初初期支护开开裂变形（（2010年2月26日发生）。。变形段隧道道埋深约300米，地质为为麻粒岩夹夹辉绿岩脉脉，处于F3断层影响带带，构造节节理发育，，岩体破碎碎。进口开开挖到4136米处，初期期支护工25b钢架发生变变形，变形形速率151mm/d，随后掌子子面后方30米范围内初初期支护扭扭曲变形，，喷射混凝凝土开裂、、掉块，渗渗水量增大大。该段变形原原因：由于于对工程地地质特性认认识不足，，工法选择择不到位、、支护措施施不到位。。11旧堡隧道初初期支护变变形开裂照照片12集包铁路新新旗下营隧隧道坍方（（2010年3月19日发生）。。坍方段埋深深约70米，地质为为变质大理理岩，前期期施工时经经常发生局局部掉块。。进口开挖挖到370米处。后方方56米位置初期期支护（格格栅钢架））失稳破坏坏坍方，造造成多名作作业人员遇遇难。坍方原因：：支护措施施不到位、、快速封闭闭不到位、、量测不到到位13新旗下营隧隧道坍方照照片142006年3月21日:武康二线王王家沟隧道道坍方，8人受困。5月16日:大丽线南场场岭隧道洞洞口坍方，，6人受困。5月21日:洛湛线双牌牌二号隧道道洞口坍方方，1死3伤。8月12日:郑西客专秦秦东隧道坍坍方，2人死亡。9月13日:武康二线系系家山一号号隧道坍方方，2人死亡。2006年发生事故故5起，造成5死3伤14人受困1.2事故统计与与分析统计2006年至今软弱弱围岩隧道道发生事故故152007年4月30日:太中银吴堡堡隧道坍方方，4死1伤。7月15日:郑西客专南南山口隧道道大坍方146米。8月6日:石太客专南南庄隧道坍坍方，2人死亡。8月6日:广深港客专专水田隧道道洞口坍方方，2人死亡。9月2日:合宁线亭子子山二号隧隧道坍方，，5人死亡。9月30日:兰青二线八八盘峡二号号隧道坍方方，8人受困。2007年发生事故故7起，造成13死2伤8人受困162008年1月9日:兰青二线杨杨家店隧道道坍方，2人死亡。1月20日:郑西客专盘盘东隧道坍坍方，3人死亡。3月21日:田德线百安安隧道坍方方，2死3伤。3月25日:包西线活沙沙兔隧道坍坍方，4人死亡。7月15日:洛湛线古榄榄隧道坍方方，1人死亡。8月29日:西格二线克克土隧道坍坍方，4死7伤。2008年发生事故故6起，造成16死10伤172009年2月17日:包西线寨山山村隧道坍坍方，2人死亡。3月8日:石武客专木木兰隧道坍坍方，2死2伤。3月16日:向莆线宝台台山隧道坍坍方，3死1伤。7月19日:襄渝二线杨杨家沟隧道道坍方，2人死亡。8月1日:湘桂线梅子子坳隧道洞洞口坍方，，3人死亡。10月29日:包西线新响响沙湾隧道道坍方，人人员逃脱。。12月19日:包西线邓家家楼一号隧隧道坍方，，6人受困。2009年发生事故故7起，造成12死3伤6人受困182010年1月14日:南广线白云云隧道突水水突泥，5人死亡。3月19日:集包线新旗旗下营隧道道坍方，10人死亡。7月11日:南黎线那适适2号隧道坍方方，10人死亡。截止目前，，2010年发生事故故3起，已造成成25人死亡19对统计数据据进行分析析，软弱围围岩隧道事事故主要表表现在三个个方面：一是洞口坍坍方，占20%。二是掌子面面变形坍方方，占33%。三是掌子面面后方坍方方“关门””，占47%。20据以上不完完全统计，，从2006年到2010年目前为止止，4年多时间内内，软弱围围岩隧道发发生事故28起，死亡71人，事故发发生之频繁繁，死亡人人数之多，，令人心痛痛。究其原原因，主要要有两个方方面，一是客观上上地质和环环境的复杂杂性，二是是主观上技技术措施、、施工方法法及工艺、、现场管理理等原因。。因此，提高高对软弱破破碎围岩的的认识，提提高设计和和施工水平平，做到“三超前、、四到位、、一强化””，对杜绝工工程事故的的发生十分分重要。212软弱围岩隧隧道地质特特征和工程程特点222.1软弱围岩隧隧道地质特特征围岩强度低低，承载能能力低。如黏性土、、粉土、砂砂类土、黄黄土、全风风化岩体等等。节理发育、、破碎、自自稳能力差差。如岩体破碎碎的泥岩、、页岩、砂砂岩、千枚枚岩、板岩岩等。断层带散体体结构、自自稳能力极极差。受构造影响响，断层带带结构面杂杂乱无序，，呈角砾、、縻棱状或或碎裂结构构，充填泥泥质或泥夹夹岩屑。232.2软弱围岩隧隧道工程特特点软弱围岩强强度低、自稳能力力差，隧道开挖后后地应力重重新分布，使隧道周周边产生较较大的松动动圈。一旦旦工程措施（包括设计计措施）和和施工方法法不当，将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程事故。因此此，软弱围岩隧隧道施工的核心是“控制变形、防止坍方”。243软弱围岩隧隧道施工技技术25软弱围岩隧隧道施工，，应在以下下七个方面面予以重视视，实现标标准化施工工管理，从从而避免变变形和坍方方事故的发发生。◆超前预报报◆超前加固固◆超前支护护◆开挖工法法◆初期支护护◆二次衬砌砌◆监控量测测263.1超前预报现场时常会会遇到实际际开挖揭示示的地质与与设计提供供的地质存存在较大差差异，引起起技术措施施和施工方方法的变化化。因此，，除设计阶阶段加强地地质勘察外外，施工阶阶段也必须须进行超前前地质预报报工作，这这一点尤为为重要。地质素描、、物探、超超前钻探方方法是软弱弱围岩超前前预报的主主要手段。。在破碎带和和断层地段段，加强超超前长、短短钻孔，及及时探明隧隧道前方地地质情况，，特别是地地下水的发发育情况，，严禁在未未探明情况况下盲目开开挖。27参建各方都都应该重视视施工阶段段超前地质质预报工作作，建立责责任制，明明确责任和和分工。高高和极高风风险隧道，，必须进行行超前地质质预报的专专项设计。。283.2超前加固在断层破碎碎带和软弱弱地层，特特别是富含含水时，必必须对围岩岩进行超前前加固，改改良地层，，确保隧道道安全施工工。必须配备专专业队伍、、专业设备备，进行专专项设计，，保证加固固效果。目前，常用用的围岩加加固方法是是注浆法。。注注浆法主要要分全断面面注浆和局局部注浆两两种。在富富水断层地地带，常采采取全断面面注浆。29全断面注浆浆法钻孔数数量多，施施作周期长长；局部注注浆是针对对隧道前方方地层特点点，对薄弱弱部位进行行注浆，钻钻孔数量少少，施作周周期短。无论是全断断面注浆，，还是局部部注浆，都都要求必须须配备先进进的钻孔注注浆设备，，必须采取取信息化注注浆。30别岩槽隧道道F1断层全断面面注浆照片片31齐岳山隧道道F11断层信息化化注浆照片片32注浆加固范范围纵向加固长长度应根据据钻机能力力和地层特特点确定，，一般为20～30m。特殊地层层条件下，，应及时调调整纵向注注浆加固长长度，否则则既影响进进度，又影影响质量。。环向加固厚厚度一般为为3～5m，局部部可增增加到到5～8m。33中国产产MGJ-50钻机中国产产XY-2PCG钻机该类钻钻机最最大扭扭矩2000～3000N·m钻进速速度3～5m/h34中国产产MZ200钻机最大扭扭矩3400N·m钻进速速度5～15m/h35日本产产RDP-150钻机最大扭扭矩8000N·m钻进速速度15～20m/h36日本矿矿岩RPD-180C多功能能钻机机最大扭扭矩8000N·m，钻进进速度度15～20m/h37意大利利C6钻机最大扭扭矩13550N··m钻进速速度20～30m/h38意大利利产SM400钻机最大扭扭矩13630N··m钻进速速度20～30m/h39德国KR805钻机最大扭扭矩27000N··m钻进速速度25～30m/h403.3超前支支护常用的的超前前支护护方式式有超超前大大管棚棚和超超前小小导管管两种种。●超前大大管棚棚：超超前大大管棚棚一般般是在在对沉沉降有有严格格要求求时使使用，，适宜宜于浅浅埋洞洞口、、堆积积体、、砂土土质地地层、、断层层破碎碎带地地层，，以及及下穿穿公路路、铁铁路、、地面面建筑筑物时时采用用。大大管棚棚一般般采用用φ70mm～φ159mm的钢管管，纵纵向长长度10～100m根据工工程需需要设设置。。41洞内大大管棚棚照片片42设管棚棚工作作间：：一般施施作管管棚时时都要要设置置管棚棚工作作间，，管棚棚工作作间按按钻机机特点点设计计，比比隧道道断面面加宽宽50～70cm，工作作间长长度7～10m，如果果只进进行一一个循循环管管棚施施作，，管棚棚工作作间比比较简简单。。但如如果循循环多多时，，施作作多个个管棚棚工作作间就就存在在着三三个问问题。。43齐岳山山隧道道F11断层前前期管管棚工工作间间照片片44一是为为施作作工作作间，，隧道道断面面加大大后，，开挖挖难度度加大大，开开挖安安全风风险增增加。。二是若若循环环注浆浆后未未能按按设计计开挖挖到位位，工工作间间尺寸寸将满满足不不了要要求，，将无无法进进行正正常管管棚作作业。。三是由由于管管棚工工作间间采取取扩挖挖断面面方法法，既既增加加了开开挖费费用，，又增增加了了回填填混凝凝土的的费用用，浪浪费大大。45无工作作间管管棚施施作技技术：：在标准准断面面采用用顶进进器将将管棚棚顶到到开挖挖断面面外。。该技技术不需要要扩大大断面面，不不切割割大量量的管管棚，，降低低了施施工风风险，，提高高了工工效，，节约约了投投资，，应大大力推推广。。46齐岳山山隧道道F11断层后后期无无管棚棚工作作间照照片47●超前小小导管管：超超前小小导管管是在在对施施工安安全要要求较较高的的条件件下使使用。。在破破碎围围岩、、堆积积体、、砂土土质地地层、、断层层破碎碎带中中普遍遍采用用。当地层层卡钻钻严重重时，，可采采用自自进式式锚杆杆。小导管管一般般采用用φ32mm～φ60mm的钢管管，纵纵向长长度2.5～6m根据工工程需需要设设置。。小导管管布设设后根根据地地层稳稳定情情况，，如需需要可可进行行注浆浆，加加固周周边地地层。。48洞内超超前小小导管管施工工照片片49●水平旋旋喷支支护：：软塑塑土体体、含含水砂砂层等等可采采用水水平旋旋喷进进行超超前加加固与与支护护。50预切槽槽支护护：用特制制的链链式机机械切切刀沿沿断面面周边边连续续切割割出一一条厚厚约数数十厘厘米，，深数数米的的窄槽槽，同同时应应用与与切刀刀一体体化的的混凝凝土灌灌注设设备注注入混混凝土土，形形成一一个连连续的的，起起预先先支护护作用用的混混凝土土拱壳壳。然然后在在“拱拱壳””支护护下进进行工工作面面的全全断面面机械械挖掘掘51预切槽槽法三三维示示意523.4开挖工工法常用的的开挖挖工法法有台台阶法法、环环形导导坑（（预留留核心心土））法、、CD法、CRD法、双双侧壁壁导坑坑法等等。开挖工工法应应根据据地质质情况况和地地层加加固情情况确确定。。实施施中根根据地地质情情况和和量测测成果果及时时调整整工法法。开挖工工法选选择时时，原原则上上在确确保安安全条条件下下，应应从简简单到到复杂杂，尽尽量减减少开开挖步步骤。。现场施施工应应严格格执行行设计计工法法，不不得擅擅自更更改。。53●台阶阶法：：该工法法一般般适合合于Ⅳ级围岩岩，要要求台台阶长长度不不大于于1倍洞径径，仰仰拱距距掌子子面距距离不不大于于2倍洞径径。54●环形形导坑坑(预留核核心土土)法：该方法法利用用核心心土稳稳定掌掌子面面，然然后开开挖两两侧边边墙、、中部部核心心土，，最后后开挖挖仰拱拱。该该工法法步骤骤多，，工艺艺要求求高。。55目前，，软弱弱围岩岩大断断面隧隧道多多采用用环形形导坑坑法（（三台台阶七七步流流水法法），，出现现的问问题也也最多多，对对该工工法技技术要要求如如下（（双线线隧道道）：：上台阶阶每循循环开开挖进进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩岩不大大于1榀钢架架，Ⅳ级不大大于2榀。边墙开开挖进进尺不不大于于2榀。仰拱开挖挖前必须须完成钢钢架锁脚脚锚杆（（管），，每循环环开挖进进尺不大大于3m。初期支护护封闭成成环位置置距掌子子面距离离原则上上不宜不不大于2倍洞径。。根据地质质、量测测情况，，设置临临时仰拱拱或横撑撑。56环形导坑坑(预留核心心土法)照片57●CD法（中隔隔壁法））：该工法适适合于浅浅埋地段段或穿越越建（构构）筑物物时采用用，以减减少沉降降，防止止坍方。。该工法法是将隧隧道分为为左右两两部分进进行开挖挖，先在在一侧采采用台阶阶法分层层开挖及及支护，，再开挖挖隧道另另一侧。。每台阶阶纵向长长度3～5m。初期支支护仰拱拱紧跟下下台阶，，封闭成成环。58●CRD法（交叉叉中隔壁壁法）：：该工法在在特殊条条件下采采用。该该工法是是将大断断面隧道道上、下下、左、、右分块块开挖，，并施作作初期支支护和临临时横撑撑（临时时仰拱）），每台台阶纵向向长度3～5m，步步封封闭成环环。59CRD工法开挖挖照片60●双侧壁壁导坑法法：该工法在在特大断断面等特特殊条件件下采用用。该工工法先开开挖隧道道两侧导导坑，再再进行中中部开挖挖支护。。工法特特点：控控制沉降降变形好好，但连连接点多多，受力力复杂，，对工艺艺要求高高。61双侧壁导导坑工法法开挖照照片62对于岩石石强度低低，环境境要求高高的隧道道应采用用单臂掘掘进机、、铣挖机机、机械械破碎等等开挖。。633.5初期支护护初期支护护方式：：锚网喷喷；锚网网喷+钢拱架，，钢架形形式有格格栅钢架架、工字字钢、H型钢。特特殊地质质条件下下使用喷喷钢纤维维混凝土土。初期支护护受力特特征：隧隧道开挖挖后短时时间或变变形量小小时，初初期支护护与地层层共同承承受形变变压力。。支护不不及时或或支护后后变形量量过大，，岩体松松动后荷荷载加大大，由初初期支护护完全被被动地承承受松动动压力。。因此，，必须保保证初期期支护的的强度和和刚度，，及时支支护，控制变形形。64●初期支护护仰拱（（临时仰仰拱）及及时闭合合极其重重要，闭闭合成环环后，提提高了结结构的承承载能力力，从而而有效地地控制变变形、避避免坍方方。65技术要求求双线隧道道Ⅳ、Ⅴ级围岩采采用台阶阶法开挖挖时，必必须设置置锁脚锚锚杆（管管）等控控制拱（（墙）脚脚位移的的措施。。双线隧道道Ⅴ级围岩应应设置横横向临时时支撑或或临时仰仰拱，临临时支撑撑采用型型钢，纵纵向每2榀设1处。钢拱架宜宜采用八八字节格格栅拱架架。钢拱架应应工厂化化制造，，出厂前前必须进进行检验验、试拼拼装。喷混凝土土原则上上采用湿湿喷工艺艺，特殊殊地质条条件下可可另行设设计。663.6监控量测测监控量测测是软弱弱围岩隧隧道安全全施工的的“眼睛””，是判断断结构稳稳定性、、指导软软弱围岩岩隧道安安全施工工“最重要要”的信息化化手段。。不进行行监控量量测，将将无法保保证软弱弱围岩的的安全施施工。很很多隧道道的变形形与坍方方是因为为没有进进行量测测、或没没有使用用量测成成果才产产生的，，教训深深刻。67监控量测测主要包包括拱顶顶下沉和和水平收收敛，浅浅埋段应应进行地地表沉降降量测。。目前采采用有尺尺量测的的较多。。由于隧隧道断面面大，采采取有尺尺量测时时，施工工干扰大大、耗时时长。应应大力推推广采用用全站仪仪利用贴贴片反射射进行量量测。68技术要求求建立等级级管理、、信息反反馈和报报告制度度。隧道监控控量测必必须设置置专职人人员，培培训后上上岗，实实行专业业化管理理，城市市隧道要要引入第第三方监监测。量测断面面布置间间距Ⅳ级围岩10m（规程10～30m）、Ⅴ级围岩5m（规程5～10m）。拱顶下沉沉或水平平收敛速速率达5mm/d或位移累累计达100mm时，要暂暂停施工工，分析析产生原原因，提提出处理理措施。。采用有尺尺量测时时，测点点挂钩要要做成闭闭合三角角形，保保证不变变形、点点接触。。69拱顶下沉沉量测照照片70水平收敛敛量测照照片71全站仪量量测照片片723.7二次衬砌砌由于目前前初支＋＋二衬共共同承载载的设计计方法，